不同植物群落內PM2.5及重金屬元素滯納季相特征

張天然，丁高峰，樓一蕾，黃芳，李曉璐，袁楚陽，于慧，晏海，邵鋒

（1.浙江農林大學 風景園林與建筑學院，浙江 杭州 311300；2.杭州西湖風景名勝區花港管理處，浙江 杭州 310007）

隨著社會經濟的快速發展，城市灰霾天氣頻繁發生[1-2]。PM2.5是空氣動力學直徑≤2.5 μm 的大氣顆粒物，它是造成灰霾現象的主要因素[3]。研究表明，大部分有害元素和化合物都富集在PM2.5上，重金屬元素蓄積能力強且毒性大，會對人體健康和環境造成嚴重危害[4-6]。近年來，國內學者對大氣顆粒物污染開展了大量研究[7-9]。崔井龍等[10]研究發現，太原市四季日均PM2.5濃度呈現冬季＞春季＞夏季＞秋季，PM2.5中Cr 在夏、秋季濃度較高，Pb 和Cd 在冬季最高。典型城市污染元素As 在冬季濃度最高[11]。閆向陽等[12]研究表明，沈陽商業區污染重于居民區。張志剛[13]研究證實，工業區的大氣顆粒物中金屬元素含量高于居民區的。植物群落是城市綠地的基本構成要素，是綠地系統生態功能的基礎[14]。Nowak 等[15]研究表明，綠地能去除大氣中50%的有害顆粒物。植物主要通過滯留、附著和粘附3 種方式滯塵[16]。植物及其組成的群落能有效降低大氣顆粒物污染。目前，有關植物群落對PM2.5及其重金屬元素滯納的研究少有報道。本文以浙江農林大學東湖校園為例，選取5 種典型植物群落為研究對象，實地監測各群落中的PM2.5質量濃度，分析群落內PM2.5質量濃度及其重金屬濃度的時空變化規律和影響因素，以期為城市綠地植物群落構建和應對大氣重金屬污染提供依據。

1 研究方法

1.1 研究對象

浙江農林大學東湖校園（30°26′28″ N，119°73′47″ E）位于杭州市臨安區。校園總面積146 hm2，生態環境優良，三面環山，南面為城市主干道，周邊無局地污染源。園內植物群落類型豐富、結構穩定。校園被教育部、國家林業和草原局等單位授予“國家生態文明教育基地”稱號。

植物群落指某一地域內具有一定種類組成和種間數量比例的全部植物總和，按其生境可分為陸生植物群落和水生植物群落。陸生植物群落有林地、疏林草地、灌叢和草地4 種類型[17-18]。本試驗選取浙江農林大學東湖校園內5 種植物群落作為研究對象，分別為常綠灌叢、常綠闊葉林、針闊混交林、落葉闊葉林和疏林草地。為確保試驗結果的準確性，避免相互干擾和影響，各樣地間的直線距離≥300 m。樣地位置如圖1 所示。構成5 種群落的主要植物分別是錦繡杜鵑Rhododendron×pulchrum、樟Cinnamomum camphora、全緣葉欒樹Koelreuteria bipinnatavar.integrifoliola和日本晚櫻Cerasus serrulatavar.lannesiana。常綠灌叢位于學院樓3 號和4 號之間，南北兩側被建筑圍合，面積約2 500 m2，主要植物有錦繡杜鵑-沿階草Ophiopogon bodinieri（灌草型）。常綠闊葉林位于體育館南側、籃球場以東，緊鄰校園南門，面積約2 000 m2，主要植物是樟+竹柏Nageia nagi-海桐Pittosporum tobira-沿階草（喬灌草型）。針闊混交林位于體育館北側、玉蘭路南邊，呈狹長形，面積約2 200 m2，植物主要為馬尾松Pinus massoniana+全緣葉欒樹-早熟禾Poa annua（喬草型）。落葉闊葉林位于學生宿舍樓A4 北側，周邊為風雨操場和網球場，面積約1 800 m2，主要植物有日本晚櫻+龍爪槐Sophora japonica-二月蘭Orychophragmus violaceus（喬草型）。疏林草地位于圖書館南側，臨近東湖，面積約3 000 m2，零星種植水杉Metasequoia glyptostroboides和無患子Sapindus mukorossi，為空間開闊的草地。5 種植物群落結構的特征指標見表1。

表1 植物群落結構特征指標Table 1 Character of plant community structure in the sample plots

圖1 樣地分布圖Figure 1 Distribution of sample plots

1.2 數據獲取

在5 種植物群落的近中心位置，距離地面1.5 m 處各布置1 臺智能中流量TSP 采樣器（KC-120H），并安裝QMA 石英纖維濾紙同步采集空氣中的PM2.5。采樣時間選擇2017 年3 月、4 月（春季）和2017 年2 月、12月（冬季），每月采樣3 次，在月初、月中和月末各2 d，每天連續采樣24 h（8:00 至次日8:00）。要求試驗前1 周內無降雨、大風等情況發生，采樣當天天氣晴朗、無風或微風。采樣前，用錫箔紙包裹濾紙，置于馬弗爐（設定溫度450℃）中灼燒4 h，除去濾紙上原有的有機物及雜質，之后將濾紙靜置于恒溫恒濕箱（Premium ICH）（設定溫度為25℃、相對濕度為50%）內48 h。取出后使用電子天平（SI-234）（精度0.1 mg）稱量和記錄濾紙質量，重復稱量3 次，取平均值作為濾紙采樣前的質量。采樣完成后，將濾紙再次在恒溫恒濕條件下處理并稱量、記錄濾紙質量，方法及步驟同采樣前。

根據《環境空氣PM10和PM2.5的測定重量法》HJ 618-2011[19]測得空氣PM2.5的質量濃度。通過具有切割特性的采樣器，抽取定量體積的空氣，使空氣中的PM2.5被截留在已知質量的濾膜上，依據采樣前后的質量差和采樣體積，計算出PM2.5的質量濃度。計算公式如下：

式中，P為PM2.5的質量濃度（mg·m-3），W2為采樣后的濾膜質量（g），W1為采樣前的濾膜質量（g），V為已換算成標準狀態下的采樣體積（m3）。

將采樣后的濾紙放置在特氟隆容器中，依次加入去離子水、濃硝酸、氫氟酸和高氯酸消解。通過電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）（Elan 9000）檢測濾紙上Mg、Al、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb 和Pb 共17 種元素的質量濃度。為確保試驗結果的有效性，同步檢測空白濾紙上的元素，結果表明，空白濾紙上的各元素含量均低于檢出限值，因此，檢測結果有效。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2010 統計和整理數據、SPSS 22.0 分析數據、Origin 8.0 作圖。

2 結果與分析

2.1 不同植物群落內PM2.5 質量濃度的變化

由圖2 可知，5 種植物群落內PM2.5質量濃度的變化范圍是（24.92±2.26）～（112.73±9.57 ）μg·m-3，平均濃度為（69.23±5.76）μg·m-3，該值是《環境空氣質量標準》GB 3095—2012[20]規定的年均二級濃度限值（35 μg·m-3）的1.98 倍。在時間上，5 種群落內PM2.5平均質量濃度均為冬季（101.33±8.47 μg·m-3）＞春季（37.13±3.06 μg·m-3）。各群落內PM2.5的質量濃度均為冬季高，春季低，其中，落葉闊葉林內春、冬季PM2.5質量濃度的差異最大，差值為73.04 μg·m-3，疏林草地內PM2.5質量濃度的季節差異最小，僅為54.96 μg·m-3。在空間上，2 個季節PM2.5平均質量濃度為疏林草地內（85.25±7.18 μg·m-3）最高，落葉闊葉林內（71.05±5.76 μg·m-3）、常綠灌叢內（70.56±5.05 μg·m-3）和針闊混交林內（61.70±5.51 μg·m-3）次之，常綠闊葉林內（57.58±5.34 μg·m-3）最低。

圖2 春、冬季不同植物群落內PM2.5 質量濃度的變化Figure 2 PM2.5 mass concentrations in different plant communities in spring and winter

2.2 不同植物群落內PM2.5 中重金屬的質量濃度變化

研究獲得了PM2.5中17 種元素的質量濃度值，綜合考慮重金屬定義和對人體健康影響的因素，本文重點討論V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb 和Pb 11 種重金屬的質量濃度變化。春、冬季，在5 種植物群落內的PM2.5中，Cr、Mn、Cu、As、Zn 和Pb 6 種重金屬的質量濃度較高，共占PM2.5質量濃度的10.24‰；V、Co、Ni、Cd 和Sb 5 種重金屬僅占0.56‰。其中，Zn 和Pb 的平均質量濃度較高，分別為（342.11±32.51）ng·m-3和（214.10±23.40）ng·m-3，分別占PM2.5質量濃度的4.94‰和3.09‰；Co 的質量濃度最低，僅為（2.08±0.59 ）ng·m-3，占PM2.5質量濃度的0.03‰（圖3 和圖4）。

圖3 PM2.5 中11 種重金屬的平均質量濃度Figure 3 Mean mass concentration of 11 heavy metals in PM2.5

圖4 11 種重金屬質量濃度在PM2.5 中的占比Figure 4 Proportion of mass concentration of 11 heavy metals in PM2.5

由圖5 可知，在5 種植物群落內，11 種重金屬的總質量濃度平均值為冬季（897.14±90.39 ng·m-3）＞春季（599.24±59.36 ng·m-3），這與PM2.5質量濃度的季節變化相同。其中，Cr、Mn、Cu、As、Sb、Zn 和Pb 7 種重金屬質量濃度的季節變化明顯（P＜0.05），而V、Co、Ni 和Cd 4 種重金屬質量濃度的季節變化不顯著（P＞0.05）。

圖5 春、冬季5 種植物群落內PM2.5 中重金屬質量濃度的變化Figure 5 Heavy metal concentrations in PM2.5 in different plant communities in spring and winter

春季，不同重金屬的質量濃度為（1.30±0.54）～（355.45±28.91）ng·m-3，其中，以常綠灌叢內Zn 的質量濃度最高，為355.45±28.91 ng·m-3，常綠闊葉林內Co 的質量濃度最低，僅為1.30±0.54 ng·m-3；冬季，11 種重金屬濃度為（2.19±0.63）～（411.36±33.55）ng·m-3，以疏林草地內Zn（411.36±33.55 ng·m-3）和Pb（304.60±31.82 ng·m-3）的質量濃度較高，常綠闊葉林內Co（2.19±0.63 ng·m-3）的質量濃度最低。

由表2 可知，春、冬季，11 種重金屬的總質量濃度平均值為疏林草地內（841.96±77.65 ng·m-3）＞常綠灌叢內（799.21±73.97 ng·m-3）＞落葉闊葉林內（774.40±76.44 ng·m-3）＞針闊混交林內（703.68±69.30 ng·m-3）＞常綠闊葉林內（621.70±64.63 ng·m-3），這與PM2.5質量濃度的空間變化基本一致。

表2 不同植物群落內PM2.5中11 種重金屬的質量濃度Table 2 Heavy metal concentrations in PM2.5 in different plant communities

11 種重金屬質量濃度的最高值均出現在疏林草地內，最低值在常綠闊葉林內（除V 外），其中，Zn 的質量濃度最高，為376.89±30.67 ng·m-3；Co 的質量濃度最低，僅為1.74±0.42 ng·m-3。此外，常綠灌叢、針闊混交林和落葉闊葉林內Zn 的質量濃度均為最高，分別為376.80±30.18 ng·m-3、315.28±29.12 ng·m-3和348.53±31.76 ng·m-3；V、Co、Ni 和Cd 的質量濃度較低，僅為（1.99±0.40）～（9.30±1.36）ng·m-3。

3 結語

3.1 討論

本研究結果表明，在5 種植物群落內PM2.5的質量濃度和PM2.5中重金屬的總質量濃度平均值的季節變化相同，均為冬季高，春季低。趙珀[21]研究表明，冬季氣象條件穩定，不利于污染物的擴散，使重金屬更易在PM2.5上累積。陳培飛等[22]研究發現，PM10和PM2.5中重金屬的質量濃度在春季最低，這與本研究結果一致。陶俊等[23]研究證實，7 種致癌重金屬僅As、Cd、Pb 和Se 有明顯富集現象，富集因子均超過500，其中，夏季的富集因子明顯高于其他季節，這可能是周邊燃煤和城區機動車排放和區域性污染源的輸送引起的。大氣重金屬Cu、Pb 和Zn 的質量濃度具有秋季高、冬季次之和春夏季較低的變化特征，這與氣象條件和污染來源有密切關系[24]。

春、冬季，PM2.5的質量濃度和PM2.5中重金屬的總質量濃度平均值的空間變化基本一致，均為疏林草地最高，常綠闊葉林最低。重金屬元素在5 種植物群落內的分布基本相同，11 種重金屬的質量濃度最高值均出現在疏林草地內，最低值在常綠闊葉林內（除V 外）。楊貌等[25]研究表明，受植被郁閉度、疏透度和植物種類的綜合影響，復合配置模式比單一配置模式下大氣顆粒物濃度的穩定程度高。賈琳[26]研究發現，喬灌草和灌木對PM2.5的滯塵效果最好。以喬灌草結構為主的綠地對PM2.5的消減作用最佳[27]。吳志萍等[28]研究認為，多層復合結構喬-灌-草綠地的覆蓋度高、綠量大，但其顆粒物濃度卻高于單層結構，這與本文研究結果不一致。其原因可能是喬-灌-草綠地的密度較高，枝下高偏低，導致林內通風條件差，不利于空氣中顆粒物的擴散，并且過大的種植密度使林內大氣和外界的水分、能量和物質交換速率降低[29]。

3.2 結論

本文對5 種植物群落內的PM2.5及其所含11 種重金屬元素的時空變化進行了研究。結果表明，春、冬季，在5 種植物群落內PM2.5中Zn 和Pb 的平均質量濃度較高，分別占PM2.5質量濃度的4.94‰和3.09‰；Co 的平均質量濃度最低，僅占0.03‰；PM2.5的質量濃度和PM2.5中重金屬的總質量濃度平均值的季節變化相同，均為冬季＞春季；Cr、Mn、Cu、As、Sb、Zn 和Pb 7 種重金屬質量濃度的季節變化明顯（P＜0.05），而V、Co、Ni 和Cd 4 種重金屬質量濃度的季節變化不顯著（P＞0.05）。PM2.5質量濃度和PM2.5中11 種重金屬的總質量濃度平均值的空間變化基本一致，均為疏林草地最高，常綠闊葉林最低。風景園林師在規劃和設計城市綠地時，應選取抗污染能力和適應能力強的樹種，合理構建植物群落結構，保持林下空間的通透性。